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2019-2020年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 專題4.1 無機(jī)非金屬材料的主角-硅講案（含解析） 復(fù)習(xí)目標(biāo)： 1、掌握碳、硅及其化合物的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化關(guān)系。 2、了解硅酸鹽工業(yè)，新型無機(jī)非金屬材料的特性及其應(yīng)用。 基礎(chǔ)知識(shí)回顧： 一、碳、硅元素的存在及單質(zhì)的性質(zhì)和用途 1、存在形態(tài) 自然界中碳元素既有游離態(tài)，又有化合態(tài)，而硅元素僅有化合態(tài)。碳單質(zhì)主要有金剛石、石墨等同素異形體，硅單質(zhì)主要有晶體硅和無定形硅兩大類。 2、單質(zhì)的性質(zhì)與用途比較 碳 硅 結(jié)構(gòu) 金剛石：空間網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu) 石墨： 層狀結(jié)構(gòu)的晶體 晶體硅：空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 物理性質(zhì) 金剛石熔點(diǎn)高、硬度大 石墨熔點(diǎn)高、質(zhì)軟，有滑膩感 晶體硅硬度大、熔點(diǎn)高 化 學(xué) 性 質(zhì) 與非金屬 單質(zhì)反應(yīng) 與O2反應(yīng)：C＋O2=CO2(完全燃燒), 2C＋O2=2CO(不完全燃燒) 與O2、Cl2反應(yīng)： Si+O2=SiO2 Si+2Cl2=SiCl4 與氧化物 反應(yīng) 與CuO,SiO2反應(yīng)C＋2CuO=2Cu＋CO2↑ C+SiO2=Si+2CO↑ 與酸反應(yīng) 與濃H2SO4、濃HNO3反應(yīng)： 與氫氟酸的反應(yīng)： C＋2H2SO4(濃)=CO2↑＋2SO2↑＋2H2O， C＋4HNO3(濃)=CO2↑＋4NO2↑＋2H2O Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑ 與堿反應(yīng) Si+2OH-+H2O=SiO+2H2↑ 3、碳、硅元素的單質(zhì)及其化合物的特殊性 ①一般情況，非金屬元素單質(zhì)熔沸點(diǎn)低，硬度小，但硅、金剛石熔沸點(diǎn)高，硬度大，其中金剛石為硬度最大的物質(zhì)。 ②一般情況，非金屬元素單質(zhì)為絕緣體，但硅為半導(dǎo)體，石墨為電的良導(dǎo)體。 ③一般情況，較強(qiáng)氧化劑＋較強(qiáng)還原劑===較弱氧化劑＋較弱還原劑，而碳卻還原出比它更強(qiáng)的還原劑：SiO2＋2C =Si＋2CO↑，F(xiàn)eO＋C = Fe＋CO↑。 ④硅為非金屬，卻可以和強(qiáng)堿反應(yīng)，放出氫氣： Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 ⑤一般情況，較活潑金屬＋酸===鹽＋氫氣，然而Si是非金屬，卻能與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。 ⑥一般情況，堿性氧化物＋酸=鹽＋水，SiO2是酸性氧化物，卻能與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。 ⑦一般情況，非?；顫娊饘?Na、K等)才能夠置換出H2O中的氫，但C＋H2O(g)=CO+ H2↑。 ⑧一般情況，非金屬氧化物與水反應(yīng)生成相應(yīng)的酸，如CO2＋H2O= H2CO3，但SiO2不溶于水，不與水反應(yīng)。 4、硅與鋁的相似性及區(qū)別 （1）與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)時(shí)相似 ①Si、Al均與NaOH溶液反應(yīng)生成鹽和H2。 ②SiO2、Al2O3、H2SiO3、H3AlO3［Al(OH)3］均與NaOH溶液反應(yīng)生成鹽和水。 ③Na2SiO3、NaAlO2溶液通入過量CO2均生成白色沉淀。 （2）區(qū)別 ①除氫氟酸外，Si、SiO2、H2SiO3不與其它酸反應(yīng)。 ②Al2O3、Al(OH)3屬兩性化合物。 ③Na2SiO3溶液、NaAlO2溶液與過量鹽酸反應(yīng)時(shí)現(xiàn)象不同。 【典型例題1】 【xx年全國卷Ⅱ】對(duì)于ⅣA族元素，下列敘述中不正確的是(　　) A．SiO2和CO2中Si和O，C和O之間都是共價(jià)鍵 B．C、Si、Ge的最外層電子數(shù)都是4，次外層電子數(shù)都是8 C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定條件下都能和氧化鈣反應(yīng) D．該族元素的主要化合價(jià)是＋4和＋2 【遷移訓(xùn)練1】【陜西省岐山縣xx學(xué)年高三第一學(xué)期期中質(zhì)量檢測試題】下列說法正確的是 A．高純度的硅單質(zhì)廣泛用于制作光導(dǎo)纖維 B．化工生產(chǎn)時(shí)將氯氣通入到飽和的石灰水中可制得大量漂粉精 C．SO2被氧氣氧化的條件一般選擇高溫、高壓、催化劑 D．礦青石棉的化學(xué)式為：Na2Fe5Si8O22(OH)2改寫成氧化物的形式則為Na2O3FeOFe2O38SiO2H2O 二、CO2和SiO2的比較 物質(zhì) 二氧化硅 二氧化碳 化學(xué)式 SiO2 CO2 晶體類型 原子晶體 分子晶體 主要物理性質(zhì) 硬度大，熔、沸點(diǎn)高，常溫下為固體，不溶于水 熔、沸點(diǎn)低，常溫下為氣體，微溶于水 化學(xué)性質(zhì) 與水反應(yīng) 不反應(yīng) CO2＋H2O=H2CO3 與酸反應(yīng) SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O 不反應(yīng) 與堿反應(yīng) SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O (盛堿液的試劑瓶用橡皮塞) CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O CO2＋NaOH=NaHCO3 與鹽反應(yīng) SiO2＋Na2CO3=Na2SiO3＋CO2↑ Ca(ClO)2＋CO2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO CO2＋Na2CO3＋H2O=2NaHCO3 與堿性氧化物反應(yīng) SiO2＋CaO=CaSiO3 CO2＋Na2O=Na2CO3 【典型例題2】指出下列反應(yīng)中SiO2所表現(xiàn)的化學(xué)性質(zhì)或作用，在A～E選項(xiàng)中選擇正確答案填入括號(hào)內(nèi)。 （1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (　　) （2）SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ (　　) （3）SiO2＋2CSi＋2CO↑ (　　) （4）SiO2＋3CSiC＋2CO↑ (　　) （5）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O (　　) A．作為玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蝕 B．氧化性 C．酸性氧化物的通性 D．將揮發(fā)性的酸酐從其鹽中置換出來 E．未參加氧化還原反應(yīng) 【遷移訓(xùn)練2】下列關(guān)于SiO2和CO2的敘述中不正確的是 (　　) A．都是共價(jià)化合物 B．都是酸性氧化物，都能與強(qiáng)堿溶液反應(yīng) C．都能溶于水且與水反應(yīng)生成相應(yīng)的酸 D．SiO2可用于制光導(dǎo)纖維，干冰可用于人工降雨 三、硅酸和硅酸鹽、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料 1、硅酸 （1）溶解性：溶解度很小。 （2）化學(xué)性質(zhì)——弱酸性：酸性比碳酸還弱。Na2SiO3＋CO2+H2O=Na2CO3＋H2SiO3 ↓ 。 （3）制備：可用硅酸鈉與鹽酸反應(yīng)制得：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓ 2、硅酸鹽 （1）硅酸鹽：是由 硅、氧和金屬組成的化合物的總稱，是構(gòu)成地殼巖石的重要成分。 （2）硅酸鈉：硅酸鈉的水溶液俗稱 水玻璃，是制備硅膠和木材防火劑等的原料。 （3）硅酸鹽組成的表示 通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示硅酸鹽的組成：如硅酸鈉(Na2SiO3)可表示為 Na2OSiO2，長石(KAlSi3O8)可表示為：K2OAl2O36SiO2 。 注意事項(xiàng)： 氧化物的順序：活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→二氧化硅→水。 氧化物前系數(shù)配置原則：除氧元素外，其他元素按配置前后原子個(gè)數(shù)守恒原則配置系數(shù)。 ①氧化物之間以“”隔開；②系數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)應(yīng)化為整數(shù)。 例如：長石：KAlSi3O8不能寫成 K2OAl2O33SiO2，應(yīng)寫成K2OAl2O36SiO2。 3、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料 （1）普通玻璃 ①主要原料： 純堿、石灰石、石英。 ②主要成分： Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2 。 （2）普通硅酸鹽水泥 ①主要原料： 石灰石 、 黏土 。 ②主要成分（寫出名稱和化學(xué)式）： 硅酸三鈣(3CaOSiO2)、硅酸二鈣(2CaOSiO2)、鋁酸三鈣(3CaOAl2O3) 【典型例題3】世界著名的科技史專家、英國劍橋大學(xué)的李約瑟博士考證說：“中國至少在距今3 000年以前，就已經(jīng)使用玻璃了?！毕铝杏嘘P(guān)玻璃的說法不正確的是 (　　) A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土 B．玻璃在加熱熔化時(shí)沒有固定的熔點(diǎn) C．普通玻璃的成分主要是硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅 D．盛放燒堿溶液的試劑瓶不能用玻璃塞，是為了防止燒堿跟二氧化硅生成硅酸鈉而使瓶塞與瓶口粘在一起 【遷移訓(xùn)練3】【貴州省銅仁市第一中學(xué)xx屆高三第四次月考】用4種溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，下表中“操作及現(xiàn) 象”與“溶液”對(duì)應(yīng)關(guān)系錯(cuò)誤的是（ ） 選項(xiàng) 操作及現(xiàn)象 溶液 A 通入CO2，溶液變渾濁。再升高至65℃以上，溶液變澄清。 C6H5ONa溶液 B 通入CO2，溶液變渾濁。繼續(xù)通CO2至過量，渾濁消失。 Na2SiO3溶液 C 通入CO2，溶液變渾濁。再加入品紅溶液，紅色褪去。 Ca(ClO)2溶液 D 通入CO2，溶液變渾濁。繼續(xù)通CO2至過量，渾濁消失,再加入足量NaOH溶液，又變渾濁。 Ca(OH)2溶液 考點(diǎn)詳析： 考點(diǎn)一：硅的性質(zhì)及高純硅的制備方法 1、硅的性質(zhì) 硅的性質(zhì)在考查要注意的是其性質(zhì)穩(wěn)定，但能與發(fā)生一些比較特別的反應(yīng)，如 Si 2、高純硅在信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，故其制取也就成了熱點(diǎn)題型。其制取過程一般為： SiO2粗硅SiCl4高純硅 【典型例題4】（xx浙江理綜）單晶硅是信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料。通常用碳在高溫下還原二氧化硅制 得粗硅（含鐵、鋁、硼、磷等雜質(zhì)），粗硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅(反應(yīng)溫度為450℃~500℃)，四氯化硅 經(jīng)提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實(shí)驗(yàn)室制備四氯化硅的裝置圖：  相關(guān)信息如下： ①四氯化硅遇水極易水解 ②硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接反應(yīng)生成相應(yīng)的氯化物 ③有關(guān)物質(zhì)的物理常數(shù)見下表： 物質(zhì) SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5 沸點(diǎn)/℃ 57.7 12.8 — 315 — 熔點(diǎn)/℃ -70.0 -107.2 — — — 升華溫度/℃ — — 180 300 162 請(qǐng)回答下列問題： （1）裝置A中g(shù)管的作用是 ；裝置C中的試劑是 。 （2）甲方案：f接裝置Ⅰ；乙方案：f接裝置Ⅱ。但是裝置Ⅰ、Ⅱ都有不足之處，請(qǐng)你評(píng)價(jià)后填寫下表。 方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 甲 乙 （3）在上述（2）的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)合理方案并用文字表述： 。 （4）SiCl4與H2反應(yīng)的化學(xué)方程式為 。 【答案】 （1）平衡壓強(qiáng)，使液體從分液漏斗中順利流下濃硫酸（2） 方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 甲 ①收集產(chǎn)品的導(dǎo)管粗，不會(huì)堵塞導(dǎo)管 ②冷凝產(chǎn)品，減少產(chǎn)品損失 ①空氣中的水蒸氣進(jìn)入產(chǎn)品收集裝置，使SiCl4水解 ②尾氣沒有處理，污染環(huán)境 乙 ①有尾氣處理裝置，注重環(huán)保 ②避免空氣中的水蒸氣進(jìn)入裝置 ①產(chǎn)品易堵塞導(dǎo)管 ②沒有冷凝裝置，產(chǎn)品易損失 （3）在裝置Ⅰ的i處接干燥管j （4）SiCl4+2H2=Si+4HCl 【遷移訓(xùn)練4】有些科學(xué)家提出硅是“21世紀(jì)的能源”，這主要是由于作為半導(dǎo)體材料的硅在太陽能發(fā)電過程中具有重要的作用。下列有關(guān)硅的說法中，不正確的是 (　　) A．高純度的硅廣泛用于制作計(jì)算機(jī)芯片 B．硅可由二氧化硅還原制得 C．低溫時(shí)，硅與水、空氣和酸不反應(yīng)，但能與氫氟酸反應(yīng) D．自然界中硅的儲(chǔ)量豐富，自然界中存在大量的單質(zhì)硅 考點(diǎn)二：CO2的相關(guān)性質(zhì) 1、二氧化碳與弱酸鹽溶液反應(yīng)（強(qiáng)酸制弱酸） 碳酸酸性比硅酸、次氯酸、苯酚、偏鋁酸等強(qiáng)，將CO2氣體通入Na2SiO3、NaClO、、NaAlO2鹽溶液中，均能發(fā)生反應(yīng)而生成相應(yīng)的弱酸和碳酸(氫)鹽，這是“強(qiáng)酸制弱酸”原理的應(yīng)用。如： CO2— CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓ (或CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H4SiO4↓＋Na2CO3) CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO CO2＋＋H2O―→＋NaHCO3 CO2(過量)＋NaAlO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3 CO2(少量)＋2NaAlO2＋3H2O===2Al(OH)3↓＋Na2CO3 易錯(cuò)警示：CO2通入CaCl2或BaCl2溶液不會(huì)產(chǎn)生白色沉淀，因?yàn)樘妓岬乃嵝匀跤邴}酸。 2、二氧化碳反應(yīng)先后關(guān)系 當(dāng)有多種組分與一種物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，判斷反應(yīng)順序的方法：先假設(shè)與其中的一種組分反應(yīng)，若產(chǎn)物還能與另一種組分反應(yīng)，則假設(shè)錯(cuò)誤。 如將CO2通入KOH、Ba(OH)2混合溶液中，假設(shè)CO2先與KOH反應(yīng)，則生成的K2CO3會(huì)與Ba(OH)2繼續(xù)反應(yīng)生成BaCO3，故假設(shè)錯(cuò)誤，應(yīng)該是CO2先與Ba(OH)2反應(yīng)。 3、CO2與堿反應(yīng)產(chǎn)物的定量判斷 CO2通入NaOH、Ca(OH)2等強(qiáng)堿溶液的反應(yīng)與CO2氣體的通入量有關(guān)，當(dāng)CO2通入少量時(shí)生成碳酸鹽，當(dāng)CO2通入過量時(shí)生成碳酸氫鹽；當(dāng)CO2的通入量介于兩者之間時(shí)，既有正鹽又有酸式鹽生成，因此推斷時(shí)一定要注意CO2與堿之間量的關(guān)系。 以CO2與NaOH溶液反應(yīng)為例： CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O CO2＋NaOH===NaHCO3 當(dāng)n(OH－)∶n(CO2)的值不同時(shí)產(chǎn)物如下： 【典型例題5】【湖南長沙雅禮中學(xué)xx第二次月考】在下列各溶液中通入足量CO2氣體，最終有渾濁產(chǎn)生的（ ） ①飽和Na2CO3溶液 ②澄清石灰水 ③Ca(ClO)2溶液 ④CaCl2溶液 ⑤Na2SiO3溶液 ⑥NaAlO2溶液 A．全部 B．除①④外 C．除①②③④外 D．除②③④外 【遷移訓(xùn)練5】向含有0.2 mol NaOH和0.1 mol Ba(OH)2的溶液中持續(xù)穩(wěn)定地通入CO2氣體，當(dāng)通入氣體為8.96 L(0 ℃，1.01105 Pa)時(shí)立即停止，則這一過程中，溶液中離子的物質(zhì)的量與通入CO2氣體的體積關(guān)系圖像正確的是(氣體的溶解和離子的水解忽略不計(jì)) (　　) 考點(diǎn)三：碳、硅及其化合物之間綜合轉(zhuǎn)化關(guān)系 1、知識(shí)網(wǎng)絡(luò) 2、推斷中常用題眼 解答硅及其化合物的推斷題，高溫反應(yīng)條件、特征反應(yīng)、單質(zhì)與堿反應(yīng)、鹽溶液與過量鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生白色沉淀等往往是推斷題的“突破口”。 【典型例題6】A、B、C、D、E五種物質(zhì)中均含有同一種非金屬元素，它們能發(fā)生如圖所示的轉(zhuǎn)化關(guān)系， 該元素(用R表示)的單質(zhì)能與NaOH溶液反應(yīng)生成鹽(Na2RO3)和氫氣。 請(qǐng)回答下列問題： （1）寫出各物質(zhì)的化學(xué)式：A__________；B__________；C__________；D__________；E__________。 （2）寫出反應(yīng)①的化學(xué)方程式：__________________________________________， 該反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為________。 （3）寫出反應(yīng)④的離子方程式：_________________________________________。 （4）寫出反應(yīng)⑤的離子方程式：__________________________________________。 （5）H2CO3的酸性強(qiáng)于E的，請(qǐng)用離子方程式予以證明： _____________________________________________________________________。